לייזר - מכשיר ועיקרון הפעולה

התנהגות נורמלית של אור בעת מעבר דרך מדיום

בדרך כלל, כאשר האור עובר בתווך, עוצמתו פוחתת. ניתן למצוא את הערך המספרי של הנחתה זו מחוק בוגר:

במשוואה זו, בנוסף לעוצמות האור I הנכנסות והיוצאות מהתווך, ישנו גם גורם הנקרא מקדם בליעת האור הליניארי של המדיום. באופטיקה מסורתית, מקדם זה תמיד חיובי.

בליעת אור שלילית

מה אם מסיבה כלשהי מקדם הספיגה שלילי? מה אז? תהיה הגברה של האור כשהוא עובר דרך המדיום; למעשה, המדיום יראה ספיגה שלילית.

התנאים להתבוננות בתמונה כזו יכולים להיווצר באופן מלאכותי. התפיסה התיאורטית לגבי הדרך ליישום התופעה המוצעת גובשה ב-1939 על ידי הפיזיקאי הסובייטי ולנטין אלכסנדרוביץ' פבריקנט.

במהלך ניתוח מדיום הגברת אור היפותטי העובר דרכו, פבריקנט הציע את עקרון הגברה האור. ובשנת 1955הפיזיקאים הסובייטים ניקולאי גנדייביץ' באסוב ואלכסנדר מיכאילוביץ' פרוחורוב יישמו רעיון פבריקנט זה על אזור תדר הרדיו של הספקטרום האלקטרומגנטי.

קחו בחשבון את הצד הפיזי של האפשרות של קליטה שלילית. בצורה אידיאלית, ניתן לייצג את רמות האנרגיה של האטומים כקווים - כאילו לאטומים בכל מצב יש רק אנרגיות E1 ו-E2 מוגדרות בקפדנות. המשמעות היא שכאשר עובר ממצב למצב, אטום פולט או סופג אור מונוכרומטי בלבד באורך גל מוגדר במדויק.

אבל המציאות רחוקה מלהיות אידיאלית, ולמעשה לרמות האנרגיה של האטומים יש רוחב סופי מסוים, כלומר, הן אינן קווים של ערכים מדויקים. לכן, במהלך מעברים בין רמות, יהיה גם טווח מסוים של תדרים הנפלטים או נקלטים dv, התלוי ברוחב רמות האנרגיה שביניהן מתבצע המעבר. הערכים של E1 ו-E2 יכולים לשמש לציון רק את רמות האנרגיה האמצעיות של האטום.

לכן, מכיוון שהנחנו ש-E1 ו-E2 הם נקודות האמצע של רמות האנרגיה, אנו יכולים לשקול אטום בשני המצבים הללו. תן E2>E1. אטום יכול לספוג או לפלוט קרינה אלקטרומגנטית כאשר הוא עובר בין רמות אלו. נניח שבהיותו במצב היסוד E1, אטום ספג קרינה חיצונית באנרגיה E2-E1 ועבר למצב נרגש E2 (ההסתברות למעבר כזה היא פרופורציונלית למקדם איינשטיין B12).

בהיותו במצב נרגש E2, האטום תחת פעולת קרינה חיצונית עם אנרגיה E2-E1 פולט קוונטי עם אנרגיה E2-E1 ונאלץ לעבור למצב הקרקע עם אנרגיה E1 (ההסתברות למעבר כזה היא פרופורציונלית ל מקדם איינשטיין B21).

אם אלומה מקבילה של קרינה מונוכרומטית עם צפיפות ספקטרלית נפחית w (v) עוברת דרך חומר ששכבתו בעלת יחידת שטח חתך ועובי dx, אזי עוצמתה תשתנה בערך:

כאן n1 הוא ריכוז האטומים במצבי E1, n2 הוא ריכוז האטומים במצבי E2.

החלפת התנאים בצד ימין של המשוואה, בהנחה ש-B21 = B12, ולאחר מכן החלפת הביטוי ב-B21, נקבל את המשוואה לשינוי בעוצמת האור ברמות אנרגיה צרות:

בפועל, כאמור לעיל, רמות האנרגיה אינן צרות לאין שיעור, ולכן יש לקחת בחשבון את הרוחב שלהן. כדי לא להעמיס את המאמר בתיאור של טרנספורמציות ושלל נוסחאות, פשוט נציין שעל ידי הזנת טווח תדרים ואז אינטגרציה מעל x, נקבל נוסחה למציאת מקדם הקליטה האמיתי של ממוצע:

מכיוון שברור שבתנאים של שיווי משקל תרמודינמי, ריכוז n1 של אטומים במצב האנרגיה התחתון E1 תמיד גדול מריכוז n2 של אטומים במצב גבוה יותר E2, ספיגה שלילית בלתי אפשרית בתנאים רגילים, אי אפשר להגביר אור רק על ידי מעבר בסביבה אמיתית מבלי לנקוט באמצעים נוספים...

כדי שספיגה שלילית תתאפשר, יש צורך ליצור תנאים שבהם ריכוז האטומים במצב נרגש E2 בתווך יהיה גדול מריכוז האטומים במצב היסוד E1, כלומר יש צורך בארגון. חלוקה הפוכה של אטומים בתווך לפי מצבי האנרגיה שלהם.

הצורך בשאיבת אנרגיה של הסביבה

כדי לארגן אוכלוסייה הפוכה של רמות אנרגיה (כדי להשיג מדיום פעיל) נעשה שימוש בשאיבה (למשל אופטית או חשמלית). שאיבה אופטית כוללת בליעה של קרינה המכוונת אליהם על ידי אטומים, שבגללה אטומים אלו נכנסים למצב נרגש.

שאיבה חשמלית בתווך גז כוללת עירור של אטומים על ידי התנגשויות לא אלסטיות עם אלקטרונים בפריקת הגז. לפי פבריקנט, יש לסלק חלק ממצבי האנרגיה הנמוכה של האטומים באמצעות זיהומים מולקולריים.

כמעט בלתי אפשרי להשיג מדיום פעיל באמצעות שאיבה אופטית במדיום דו-מפלסי, מכיוון שמבחינה כמותית מעברי האטומים ליחידת זמן ממצב E1 למצב E2 ולהיפך (!) במקרה זה יהיו שווי ערך, מה שאומר ש יש צורך לפנות למערכת של שלוש שכבות לפחות.

שקול מערכת שאיבה תלת-שלבית. תנו לקרינה החיצונית עם אנרגיית הפוטונים E3-E1 לפעול על המדיום בעוד שהאטומים בתווך עוברים מהמצב עם האנרגיה E1 למצב עם האנרגיה E3. ממצב האנרגיה E3, מעברים ספונטניים למצב E2 ול-E1 אפשריים. כדי להשיג אוכלוסיה הפוכה (כאשר יש יותר אטומים עם רמת E2 במדיום נתון), יש צורך להפוך את רמת ה-E2 ליותר זמן מה-E3. לשם כך, חשוב לעמוד בתנאים הבאים:

עמידה בתנאים אלה יגרום לכך שהאטומים במצב E2 יישארו זמן רב יותר, כלומר, ההסתברות למעברים ספונטניים מ-E3 ל-E1 ומ-E3 ל-E2 עולה על ההסתברות למעברים ספונטניים מ-E2 ל-E1. אז רמת E2 תתברר כארוכה יותר, ומצב כזה ברמת E2 יכול להיקרא מטסטביל. לכן, כאשר אור עם תדר v = (E3 — E1) / h עובר דרך מדיום פעיל כזה, האור הזה יוגבר. באופן דומה, ניתן להשתמש במערכת של ארבע רמות, ואז רמת E3 תהיה יציבה.

מכשיר לייזר

כך, הלייזר כולל שלושה מרכיבים עיקריים: מדיום פעיל (בו נוצרת היפוך האוכלוסייה של רמות האנרגיה של האטומים), מערכת שאיבה (מכשיר לקבלת היפוך האוכלוסייה) ומהוד אופטי (המגביר את הקרינה פעמים רבות ויוצר קרן מכוונת של הפלט). המדיום הפעיל יכול להיות מוצק, נוזלי, גז או פלזמה.

השאיבה מתבצעת ברציפות או בפעימה. בשאיבה רציפה, אספקת המדיום מוגבלת על ידי התחממות יתר של המדיום וההשלכות של התחממות יתר זו. בשאיבה דופקת, האנרגיה השימושית המוכנסת פיסית לתוך המדיום מתקבלת יותר בשל העוצמה הגדולה של כל פעימה בודדת.

לייזרים שונים - שאיבה שונה

שאיבה של לייזרים במצב מוצק מתבצעת ע"י הקרנת המדיום הפועל בהבזקי פריקת גז עוצמתיים, אור שמש ממוקד או לייזר אחר. זו תמיד שאיבה פולסית מכיוון שההספק כה גבוה עד שמוט העבודה יתמוטט בפעולה מתמשכת.

לייזרים נוזלים וגז נשאבים עם פריקה חשמלית.לייזרים כימיים מניחים את התרחשותן של תגובות כימיות בתווך הפעיל שלהם, וכתוצאה מכך מתקבלת אוכלוסיית האטומים הפוכה או מתוצרי התגובה או מזיהומים מיוחדים עם מבנה מפלס מתאים.

לייזרים מוליכים למחצה נשאבים על ידי זרם קדימה דרך צומת pn או על ידי קרן אלקטרונים. בנוסף, ישנן שיטות שאיבה כמו פוטודיסוציאציה או שיטת גז דינמית (קירור פתאומי של גזים מחוממים).

מהוד אופטי - הלב של הלייזר

המהוד האופטי הוא מערכת של זוג מראות, במקרה הפשוט ביותר, שתי מראות (קעורות או מקבילות) הקבועות זו מול זו, וביניהן לאורך ציר אופטי משותף ישנו מדיום פעיל בצורת גביש או א. קובטה עם גז. פוטונים העוברים בזווית דרך המדיום משאירים אותו בצד, ואלו הנעים לאורך הציר, משתקפים מספר רב של פעמים, מוגברים ויוצאים דרך מראה שקופה.

זה מייצר קרינת לייזר - קרן של פוטונים קוהרנטיים - קרן מכוונת בקפדנות. במהלך מעבר אור אחד בין המראות, גודל הרווח חייב לחרוג מסף מסוים - כמות אובדן הקרינה דרך המראה השנייה (ככל שהמראה משדרת טוב יותר, כך סף זה חייב להיות גבוה יותר).

על מנת שהגברת האור תתבצע בצורה יעילה, יש צורך לא רק להגדיל את נתיב האור בתוך המדיום הפעיל, אלא גם להבטיח שהגלים היוצאים מהתהודה נמצאים בשלב זה עם זה, ואז הגלים המפריעים יתנו המשרעת המקסימלית האפשרית.

כדי להשיג מטרה זו, יש צורך שכל אחד מהגלים במהוד החוזרים לנקודה על מראת המקור ובאופן כללי, בכל נקודה במדיום הפעיל, יהיה בשלב עם הגל הראשוני לאחר מספר שרירותי של השתקפויות מושלמות . זה אפשרי כאשר הנתיב האופטי שעובר הגל בין שתי החזרות עומד בתנאי:

כאשר m הוא מספר שלם, במקרה זה הפרש הפאזות יהיה כפולה של 2P:

כעת, מכיוון שכל אחד מהגלים שונה בפאזה מהקודם ב-2pi, זה אומר שכל הגלים היוצאים מהתהודה יהיו בפאזה זה עם זה, מה שייתן הפרעות משרעת מקסימלית. לתהודה תהיה קרינה מקבילה כמעט מונוכרומטית במוצא.

פעולת המראות בתוך המהוד תספק הגברה של המצבים המתאימים לגלים העומדים בתוך המהוד; מצבים אחרים (הנובעים בשל המוזרויות של תנאים אמיתיים) ייחלשו.

לייזר רובי - המצב המוצק הראשון

מכשיר המצב המוצק הראשון נבנה בשנת 1960 על ידי הפיזיקאי האמריקאי תיאודור מימן. זה היה לייזר אודם (אודם - Al2O3, שבו חלק מאתרי הסריג - בטווח של 0.5% - מוחלפים בכרום מיונן משולש; ככל שיותר כרום, צבעו של גביש האודם כהה יותר).

הלייזר העובד המוצלח הראשון שתוכנן על ידי ד"ר טד מיימן ב-1960.

גליל אודם עשוי הגביש ההומוגני ביותר, בקוטר של 4 עד 20 מ"מ ואורך של 30 עד 200 מ"מ, ממוקם בין שתי מראות העשויות בצורה של שכבות כסף המיושמות על הקצוות המלוטשים בקפידה של זה. צִילִינדֶר. מנורת פריקת גז בצורת ספירלה מקיפה גליל לכל אורכו ומסופקת במתח גבוה דרך קבל.

כאשר המנורה דולקת, האודם מוקרן בעוצמה, בעוד אטומי הכרום נעים מרמה 1 לרמה 3 (הם נמצאים במצב נרגש זה פחות מ-10-7 שניות), זה המקום שבו הסבירות לעבור ל רמה 2 מתממשת - לרמה יציבה. עודף אנרגיה מועבר לתוך סריג הקריסטל של רובי. מעברים ספונטניים מרמה 3 לרמה 1 אינם משמעותיים.

המעבר מרמה 2 לרמה 1 אסור על פי כללי הבחירה, ולכן משך הרמה הזה הוא בערך 10-3 שניות, שזה פי 10,000 יותר מאשר ברמה 3, כתוצאה מכך, אטומים מצטברים באודם עם רמה 2 - זו האוכלוסייה ההפוכה של רמה 2.

פוטונים הנוצרים באופן ספונטני במהלך מעברים ספונטניים, פוטונים יכולים לגרום למעברים מאולצים מרמה 2 לרמה 1 ולעורר מפולת של פוטונים משניים, אך המעברים הספונטניים הללו הם אקראיים והפוטונים שלהם מתפשטים בצורה כאוטית, בעיקר עוזבים את המהוד דרך הדופן שלו.

אבל אלו מהפוטונים שפוגעים בציר עוברים השתקפויות מרובות מהמראות, ובו זמנית גורמים לפליטת פוטונים מאולצת, ששוב מעוררים את הפליטה המגורה, וכן הלאה. פוטונים אלו ינועו בכיוון דומה לראשוני והשטף לאורך ציר הגביש יגדל כמו מפולת שלגים.

הזרימה המוכפלת של הפוטונים תצא דרך המראה השקופה הצידית של המהוד בצורה של קרן אור כיוונית בהחלט בעוצמה עצומה. לייזר רובי פועל באורך גל של 694.3 ננומטר, בעוד שהספק הפולס יכול להגיע עד 109 וואט

לייזר ניאון עם הליום

לייזר הליום-ניאון (הליום / ניאון = 10/1) הוא אחד מלייזרי הגז הפופולריים ביותר. הלחץ בתערובת הגז הוא כ-100 Pa.ניאון משמש כגז פעיל, הוא מייצר פוטונים עם אורך גל של 632.8 ננומטר במצב רציף. תפקידו של הליום הוא ליצור אוכלוסייה הפוכה מאחת מרמות האנרגיה העליונות של הניאון. רוחב הספקטרום של לייזר כזה הוא בערך 5 * 10-3 הרץ אורך קוהרנטיות 6 * 1011 מ', זמן קוהרנטיות 2 * 103 מעלות צלזיוס.

כאשר נשאבת לייזר הליום-ניאון, פריקה חשמלית במתח גבוה גורמת למעבר של אטומי הליום למצב נרגש מט-יציב של רמת E2. אטומי הליום אלו מתנגשים בצורה לא גמישה עם אטומי ניאון במצב הקרקע E1, ומעבירים את האנרגיה שלהם. האנרגיה של רמת E4 של ניאון גבוהה מרמת E2 של הליום ב-0.05 eV. חוסר האנרגיה מפצה על ידי האנרגיה הקינטית של התנגשויות אטומיות. כתוצאה מכך, ברמת E4 של הניאון, מתקבלת אוכלוסייה הפוכה ביחס לרמת E3.

סוגי לייזרים מודרניים

על פי מצב המדיום הפעיל, הלייזרים מחולקים ל: מוצק, נוזל, גז, מוליכים למחצה וגם גביש. לפי שיטת השאיבה, הם יכולים להיות: אופטי, כימי, פריקת גז. מטבעו של הדור, הלייזרים מתחלקים ל: רציפים ופולסים. סוגים אלה של לייזרים פולטים קרינה בטווח הנראה של הספקטרום האלקטרומגנטי.

לייזרים אופטיים הופיעו מאוחר יותר מאחרים. הם מסוגלים לייצר קרינה בטווח הקרוב לאינפרא אדום, קרינה כזו (באורך גל של עד 8 מיקרון) מתאימה מאוד לתקשורת אופטית. לייזרים אופטיים מכילים סיב שבליבתו הוכנסו מספר יונים של יסודות אדמה נדירים מתאימים.

מוביל האור, כמו בסוגים אחרים של לייזרים, מותקן בין זוג מראות.לצורך השאיבה מוזנת לסיב קרינת לייזר באורך הגל הנדרש, כך שיונים של יסודות האדמה הנדירים עוברים במצב נרגש תחת פעולתו. כשהם חוזרים למצב אנרגיה נמוך יותר, יונים אלה פולטים פוטונים בעלי אורך גל ארוך יותר מזה של הלייזר המתניע.

בדרך זו, הסיב פועל כמקור לאור לייזר. התדירות שלו תלויה בסוג היסודות הנדירים שנוספו. הסיב עצמו עשוי מפלואוריד מתכת כבדה, מה שגורם לייצור יעיל של קרינת לייזר בתדר של תחום האינפרא אדום.

לייזרים בקרני רנטגן תופסים את הצד הנגדי של הספקטרום - בין אולטרה סגול לגמא - אלו הם סדרי גודל עם אורכי גל מ-10-7 עד 10-12 מ'. ללייזרים מסוג זה יש את בהירות הדופק הגבוהה ביותר מכל סוגי הלייזרים.

לייזר רנטגן הראשון נבנה ב-1985 בארה"ב, במעבדת ליברמור. לורנס. הלייזר שנוצר על יוני סלניום, טווח אורך הגל הוא בין 18.2 ל-26.3 ננומטר, והבהירות הגבוהה ביותר נופלת על קו אורך הגל של 20.63 ננומטר. כיום הושגה קרינת לייזר באורך גל של 4.6 ננומטר עם יוני אלומיניום.

לייזר רנטגן נוצר על ידי פולסים באורך של 100 ps עד 10 ns, התלוי לאורך החיים של היווצרות הפלזמה.

העובדה היא שהמדיום הפעיל של לייזר רנטגן הוא פלזמה מיוננת מאוד, המתקבלת, למשל, כאשר סרט דק של איטריום וסלניום מוקרן בלייזר בעל הספק גבוה בספקטרום הנראה או האינפרא אדום.

אנרגיית הלייזר בקרני רנטגן בפולס מגיעה ל-10 מ"ג, בעוד שההתרחבות הזוויתית בקרן היא כ-10 מילירדיאנים. היחס בין כוח המשאבה לקרינה ישירה הוא בערך 0.00001.